Transformadores e bobinas

O transformador

O transformador é um dispositivo eletromagnético constituído por duas bobinas acopladas através de um núcleo magnético de elevada permeabilidade magnética. O princípio de funcionamento do transformador baseia-se no fenómeno da indução electromagnética, e em particular da indução electromagnética mútua entre bobinas. A principal função de um transformador é elevar ou reduzir as amplitudes da tensão ou da corrente entre as bobinas do primário e do secundário. O transformador caracteriza-se pela relação de transformação de tensão entre o primário e o secundário, rT=N2/N1.

Os transformadores são utilizados numa gama muito variada de aplicações de processamento de informação e de energia eléctrica. Salientam-se, entre outras, a elevação e a redução da tensão e do número de fases em redes de transporte e distribuição de energia eléctrica, a redução da tensão ou da corrente em instrumentos de medida, a adaptação de impedâncias em amplificadores sintonizados em aplicações de rádio-frequência e frequência intermédia, a adaptação de resistências em aplicações audio, ou simplesmente o isolamento galvânico entre partes de um mesmo circuito eléctrico.

Para além de outros, é possível identificar os seguintes tipos de transformadores: auto-transformadores, transformadores com múltiplos enrolamentos no secundário, transformadores com ponto médio, transformadores de medida ou de protecção, transformadores de sinal e transformadores de potência.

Existem diversos sensores que exploram o fenómeno da indução mútua entre bobinas, ou electromagnética. Estes transdutores são designados relutivos e electromagnéticos, e são utilizados na medição de grandezas não-eléctricas, tais como deslocamento, velocidade, aceleração, binário, força, pressão, etc.

O funcionamento dos transformadores é explicado através das Leis de Faraday, que nos diz que quando um circuito sofre uma corrente variável produz um campo magnético, e quando um circuito é sujeito a um campo magnético variável é gerada uma corrente electrica.

Tipos de transformadores

Transformador de alimentação:

O transformador de alimentação convencional é usado na conversão da tensão da rede para a tensão de funcionamento dos circuitos electrónicos. O rendimento é muito elevado, pois funciona com frequências muito baixas, é feito normalmente com chapas de aço no núcleo, possuindo algumas vezes blindagens metálicas para evitar interferências e blindagens de resina para evitar vibrações mecânicas. 

Transformador de áudio:

Usado em aparelhos de áudio com válvula e em algumas configurações com transistores, no acoplamento entre etapas amplificadoras e na saída para os altifalantes (altofalantes). Geralmente é semelhante ao transformador de alimentação na sua forma pode usar núcleo de aço ou ferrite. A  resposta dentro da gama de de frequências de áudio, 20 a 20000 Hz, não é perfeitamente linear, mesmo usando materiais de alta qualidade no núcleo, esta variação de eficiência ao longo da faixa de áudio limita o seu uso. 

Transformador de corrente:

É usado sobretudo para efectuar medições, em cabines e painéis de controle de máquinas e motores. Consiste num anel circular ou quadrado, com núcleo de chapas de aço e enrolamento com poucas espiras, que se instala passando o cabo dentro do furo, este actua como o primário. A corrente é medida por um amperímetro ligado ao secundário. 

Transformador de RF:

Os circuitos de rádio-frequência (RF, acima de 30kHz), usam transformadores no acoplamento entre  etapas dos circuitos de rádio e TV. Sua  potência em geral é baixa, e os enrolamentos têm poucas espiras, utilizando sobretudo núcleo de  ferrite. Costumam ter blindagem de alumínio, para dispersar interferências no circuito onde estão inseridos e nos equipamentos circundantes.

Transformadores de pulso:

São usados para acoplamento e separação entre circuitos, isolando o circuito de controle, de baixa tensão e potência. Têm geralmente núcleo de ferrite e invólucro plástico.

Transformadores Simbologia

Transformador com núcleo de arSimbolo Transformador com núcleo de arTransformador com núcleo de ar
Transformador com núcleo de ferritesimbolo Transformador com núcleo de ferriteTransformador com núcleo de ar
Transformador com núcleo de ferroSimbolo Transformador com núcleo de ferroTransformador com núcleo de ferro

Cálculo de um transformador

-Calculo da potencia total dos secundários.
-Divide-se a potência do secundário pelo rendimento, para transformadores construídos manualmente pode-se arbitrar o rendimento em 0,8.
-Calcula-se a secção do núcleo pela formula:

formula calculo do nucleo de um transformador
- Determina-se o número de espiras do primário pela fórmula:
formula calculo do número de espiras

Onde:

V1 = Tensão do primário
B = fluxo em linhas por centímetro quadrado
S = Área do núcleo
f = frequência em hertz

5) Sabendo que:

formula calculo de transformador

temos:

formula calculo de trafo

Onde:

E1 = voltagem do primário
N1 = número de espiras do primário

Isto é um exemplo do processo de cálculo de um transformador, não é aconselhável construir um transformador baseado apenas nas informações aqui existentes.

Fórmulas utilizadas

Potência total secundário

Potencia_VA= Volts_VA*Corrente_IA
Potencia_PB = Volts_VB*Corrente_IB

Potência total secundário


Potencia_PS = (Potencia_PA +Potencia_PB)

Potência primário

Potencia_PP = PS/rendimento

Área do núcleo

S = 1.2* raiz(Potencia_PP)

Número de espiras primário

Espiras_Primário = (Volts_VP*100e+6)/(4.44*B*S*F)

Relação espiras por volt

r = Espiras_Primário/Volts_VP

Espiras_Secundário_VA= r*Volts_VA
Espiras_Secundário_VB = r*Volts_VB

SP = (Potencia_PP/Volts_VP)/densidade
SA = Corrente_IA/densidade
SB = Corrente_IB/densidade
Corrente Primário = Potencia_PP/Volts_VP

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A Bobina

O movimento das cargas elétricas, e em particular a corrente elétrica, é responsável por um fenómeno de atracção ou repulsão designado por força magnética. Dois condutores percorridos por uma corrente elétrica atraem-se um ao outro se os sentidos dos respectivos fluxos forem concordantes, e repelem-se no caso contrário. À força magnética encontram-se associados o campo magnético, o fluxo e a densidade de fluxo magnético, a permeabilidade magnética, a indutância ou coeficiente de auto-indução, e o coeficiente de indução mútua.

A bobina é um componente que armazena energia sob a forma de um campo magnético, portanto sob a forma de cargas eléctricas em movimento. A indutância é o parâmetro que relaciona a corrente eléctrica com o fluxo magnético

F = LiWb, weber 

e é uma função das dimensões físicas e do número de espiras da bobina, mas também do material do núcleo. A unidade de indutância é o henry (H).

A relação em cima indica que as variações no fluxo magnético são proporcionais às variações na corrente eléctrica. Assim, e de acordo com a Lei de Faraday, a força electro-motriz induzida aos terminais de uma bobina é proporcional às variações na corrente respectiva

Formula Calculo Bobina 

fenômeno que se designa por indução eletromagnética (daí o nome alternativo de coeficiente de auto-indução dado à indutância).

Cálculo de Bobinas

Bobina com uma camada

bobina com uma camada

Nos cálculos das bobinas com uma só camada utiliza-se a seguinte fórmula:

L=4Π10-4N2R{[loge(1+ΠF)]+[1/(2,3+1,6/F+0,44/F2]}
  • N= Número de espiras
  • R= Raio da bobina em mm
  • F= raio da bobina/comprimento da bobina
  • L= µH
  • Π= 3,14159265

As bobinas devem apresentar um Factor de Forma (FF=comprimento da bobina/diâmetro) superior a 0,5 e inferior a 2.

Entre as espiras forma-se uma capacidade parasita que pode dar origem a ressonância indesejada nas altas frequências; Para evitar este efeito, basta prever o espaçamento entre espiras. Normalmente é suficiente uma espaçamento igual a 0,7 vezes o diâmetro do fio.

O diâmetro do fio utilizado (resistência) deve estar de acordo com o valor médio da corrente que vai percorrer a bobina. considera-se 3 ampéres por mm2 de secção.

Bobina com multi-camadas

bobina varias camadas

Nos cálculos de bobinas com uma várias camadas utiliza-se a seguinte fórmula:

Formula Calculo Bobina varias camadas
  • D= Diâmetro do núcleo (cm)
  • C= Largura do enrolamento (cm)
  • A= Altura do enrolamento (cm)
  • L= µH
  • Π= 3,14159265

Para maior precisão o factor r deve ser inferior a 0,4

Os cálculos admitem que as várias camadas são enroladas umas sobre as outras sem qualquer material isolante entre elas

As dimensões largura, altura e diâmetro são medidas independentemente da espessura do material da forma

O diâmetro do fio utilizado (resistência) deve estar de acordo com o valor médio da corrente que vai percorrer a bobina. considera-se 3 ampéres por mm2 de secção.

Simbolos Bobinas  

Bobina com núcleo de arBobina com núcleo de ar simboloBobina com núcleo de ar com derivaçõessimbolo bobine com derivações
Bobina com núcleo de ferroSimbolo Bobina com núcleo de ferroBobina com núcleo de ferriteSimbolo Bobina com núcleo de ferrite
Bobina com núcleo de arBobina com núcleo de arBobina com núcleo de ferriteBobine com de ferrite